全彩LED驅(qū)動(dòng)芯片的S－PWM優(yōu)化

王 巍，黃 展，安友偉，丁 鋒

(重慶郵電大學(xué)微電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

1 LED顯示屏簡(jiǎn)介

LED全彩顯示屏是20世紀(jì)90年代在全球迅速發(fā)展起來(lái)的新型信息顯示媒體，它結(jié)合了現(xiàn)代高新技術(shù)，具有節(jié)能、環(huán)保、色彩鮮艷、可顯示動(dòng)態(tài)畫(huà)面以及文字、可視范圍廣闊等一系列優(yōu)勢(shì)[1]。隨著科技、經(jīng)濟(jì)等方面的不斷發(fā)展，為L(zhǎng)ED顯示屏的應(yīng)用提供了廣闊的市場(chǎng)。作為一種媒介載體，LED顯示屏已成為影視表演、大型歌舞、綜藝、晚會(huì)等不可缺少的組成部分，同時(shí)也是公共媒體、戶外廣告、亮化工程等城市建設(shè)的寵兒[2]?；叶鹊燃?jí)是衡量LED顯示屏顯示效果的一個(gè)重要指標(biāo)，灰度等級(jí)越高，顯示的效果越逼真。所謂灰度等級(jí)，就是指可以進(jìn)行控制的灰度級(jí)等級(jí)的多少。市場(chǎng)上現(xiàn)有的LED大屏幕顯示產(chǎn)品灰度等級(jí)一般在12 bit以上，對(duì)顯示效果要求更高的屏幕灰度等級(jí)可以達(dá)到16 bit。若使用傳統(tǒng)的PWM方法來(lái)產(chǎn)生如此高灰度等級(jí)的灰度控制信號(hào)，會(huì)存在當(dāng)高比特?cái)?shù)據(jù)為0時(shí)LED燈長(zhǎng)時(shí)間處于熄滅狀態(tài)，帶來(lái)數(shù)據(jù)刷新率變低的缺陷，可能會(huì)給人眼帶來(lái)閃爍感，從而影響LED屏幕顯示的效果[3]。S-PWM正是為了彌補(bǔ)這種缺陷而產(chǎn)生的，然而當(dāng)10 bit的高位數(shù)據(jù)全部為0時(shí)，S-PWM和傳統(tǒng)的PWM方法產(chǎn)生的灰度等級(jí)控制信號(hào)幾乎是完全一樣的，并沒(méi)有發(fā)揮出S-PWM的優(yōu)勢(shì)。

本文提出的改進(jìn)型的S-PWM方法能很好地彌補(bǔ)當(dāng)10 bit的高位數(shù)據(jù)全部為0時(shí)S-PWM和傳統(tǒng)的PWM方法的不足，提高了LED顯示屏的顯示效果。

2 PWM和S-PWM

PWM(Pulse Wide Modulation)亮度控制技術(shù)是把灰度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成灰度等級(jí)控制信號(hào)的過(guò)程。灰度等級(jí)控制信號(hào)用來(lái)控制信號(hào)控制每個(gè)LED燈的點(diǎn)亮?xí)r間，來(lái)使LED燈達(dá)到期望的亮度值。例如，一個(gè)包含65536級(jí)灰度的16 bit二進(jìn)制灰度數(shù)據(jù)1000000000100000(十進(jìn)制數(shù)32800)，采用PWM得到的灰度控制信號(hào)應(yīng)包含32800個(gè)時(shí)鐘的高電平和32735個(gè)時(shí)鐘的低電平，對(duì)應(yīng)的灰度控制如圖1所示。clk表示的是時(shí)鐘個(gè)數(shù)，整個(gè)灰度控制信號(hào)包含65535個(gè)時(shí)鐘周期，高電平的時(shí)鐘個(gè)數(shù)根據(jù)灰度數(shù)據(jù)的不同可以在0～65535之間變化，能得到65536級(jí)灰度控制信號(hào)。

圖1 PWM方式得到的灰度控制信號(hào)

S-PWM(Scrambled-PWM)亮度控制技術(shù)是在傳統(tǒng)的PWM基礎(chǔ)上，將一個(gè)灰度控制信號(hào)的高電平時(shí)間分散成多個(gè)較短的導(dǎo)通時(shí)間，以增加整體視覺(jué)的更新率[4-5]。S-PWM將16 bit灰度數(shù)據(jù)分為兩個(gè)部分:10位的高比特?cái)?shù)據(jù)(MSB)和6位的低比特?cái)?shù)據(jù)(LSB)。首先將MSB數(shù)據(jù)重復(fù)計(jì)數(shù)64次，然后將LSB數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)一次，得到完整的S-PWM波形。整個(gè)S-PWM生成的灰度控制信號(hào)包含的高電平時(shí)鐘數(shù)根據(jù)灰度數(shù)據(jù)可以在0～(1023×64+63)之間變化，具有65536級(jí)灰度。二進(jìn)制灰度數(shù)據(jù)1000000000100000若采用S-PWM產(chǎn)生灰度控制信號(hào)，MSB位為 1000000000，LSB位為 100000。MSB數(shù)據(jù)100000000000(十進(jìn)制數(shù)512)重復(fù)計(jì)數(shù)64次，然后將LSB位100000計(jì)數(shù)一次，得到S-PWM灰度等級(jí)控制信號(hào)?；叶瓤刂菩盘?hào)包含512×64+32=32800個(gè)時(shí)鐘的高電平和32736個(gè)時(shí)鐘的低電平，具有65536級(jí)灰度，如圖2所示。

圖2 S-PWM方式得到的灰度控制信號(hào)

若16 bit灰度數(shù)據(jù)為0000010000000000，采用PWM方式得到的將是連續(xù)的具有1024個(gè)時(shí)鐘的高電平的灰度控制信號(hào)，而采用S-PWM方式得到的是具有連續(xù)的16個(gè)時(shí)鐘的高電平的灰度控制信號(hào)(重復(fù)64次)。對(duì)于相同的數(shù)據(jù)，S-PWM和PWM方式均能得到相同亮度效果的灰度控制信號(hào)，但S-PWM能提高數(shù)據(jù)的刷新率，具有更好的顯示效果。然而，當(dāng)MSB數(shù)據(jù)為0時(shí)，S-PWM也失去了將灰度控制信號(hào)分散的功能。對(duì)于灰度數(shù)據(jù)0000000000100000，采用PWM和S-PWM得到的灰度控制信號(hào)分別如圖3a和圖3b所示。

圖3 灰度控制信號(hào)

由圖可知，在當(dāng)灰度數(shù)據(jù)為0000000000100000時(shí)，SPWM和PWM得到的灰度控制信號(hào)幾乎完全一樣(僅高電平時(shí)間的位置不一樣)，并沒(méi)有發(fā)揮出S-PWM的優(yōu)勢(shì)。

3 本文提出的優(yōu)化的S-PWM

本文將改進(jìn)的S-PWM稱之為SS-PWM(Symmetrical and Scrambled Pulse Wide Modulation)。SS-PWM仍然將16 bit灰度數(shù)據(jù)分為兩個(gè)部分:10 bit的高比特?cái)?shù)據(jù)(MSB)和6 bit的低比特?cái)?shù)據(jù)(LSB)。

在SS-PWM中，LSB灰度數(shù)據(jù)按照指定的規(guī)律(旨在使灰度控制信號(hào)均勻分布)得到的灰度控制信號(hào)，并被劃分成63個(gè)部分，LSB數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)如圖4所示。MSB灰度數(shù)據(jù)則重復(fù)計(jì)數(shù)64次來(lái)得到灰度控制信號(hào)，每當(dāng)MSB數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)完成一次，LSB灰度控制信號(hào)的一個(gè)部分被添加在MSB灰度控制信號(hào)的后面。即使MSB數(shù)據(jù)全部為0，也能得到均勻分散的灰度控制信號(hào)。MSB和LSB共同得到的灰度控制信號(hào)如圖5所示。

筆者用Verilog語(yǔ)言分別對(duì)S-PWM和SS-PWM方式進(jìn)行了描述，并且使用Modelsim進(jìn)行了仿真，Synplify進(jìn)行綜合。S-PWM和SS-PWM的Modelsim仿真圖分別如圖6和圖7所示。其中，clk是時(shí)鐘信號(hào)，data_in是輸入的灰度數(shù)據(jù)，rst是復(fù)位信號(hào)(低電平復(fù)位)，pulse_out是輸出的灰度控制信號(hào)，processing是處理過(guò)程標(biāo)志位，processing=0時(shí)，表示正在處理灰度數(shù)據(jù)，processing=1時(shí)，表示處理完畢。

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)灰度數(shù)據(jù)為0000000000000100時(shí)，S-PWM得到的灰度控制信號(hào)是連續(xù)4個(gè)時(shí)鐘的高電平(其余時(shí)間為低電平)，而SS-PWM得到的是均勻分散的4個(gè)1個(gè)時(shí)鐘周期的高電平。也就是說(shuō)當(dāng)灰度數(shù)據(jù)為0000000000000100時(shí)，S-PWM不能起到分散灰度控制信號(hào)的目的，但是SS-PWM仍然能發(fā)揮其分散灰度控制信號(hào)的功能。S-PWM和SS-PWM實(shí)現(xiàn)方式分別用Synplify在Altera公司的EP1C3TC144-C6芯片上進(jìn)行了綜合，占用資源情況如表1所示。

表1 Synplify綜合結(jié)果

由表1可知，SS-PWM實(shí)現(xiàn)方式比S-PWM實(shí)現(xiàn)方式占用更少的硬件資源。所以，SS-PWM不僅具有更好的顯示效果，也簡(jiǎn)化了硬件的實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型的S-PWM(SS-PWM)的實(shí)現(xiàn)方式。SS-PWM將LSB得到的灰度控制信號(hào)劃分成63部分，均勻地分布在整個(gè)灰度控制信號(hào)中，提高了數(shù)據(jù)刷新率和視覺(jué)更新率，使LED顯示屏顯示的效果更好。另外，實(shí)用Synplify對(duì)S-PWM和SS-PWM綜合的結(jié)果表明，SS-PWM方式在取得更好的視覺(jué)效果的同時(shí)，降低了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

[1]中國(guó)報(bào)告網(wǎng).2011—2015年LED顯示屏行業(yè)市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)及市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告[EB/OL].[2012-04-15].http://baogao.chinabaogao.com/xianshiqi/105916105916.html.

[2]西田信夫.大屏幕顯示[M].北京:科學(xué)出版社，2003.

[3]李熹霖.談LED大屏的刷新頻率和換幀頻率[J].現(xiàn)代顯示，2004，41:22-26.

[4]MBI_5026[EB/OL].[2012-04-15].http://wenku.baidu.com/view/267fb46d7e21af45 b307a83b.html.

[5]MBI_5042[EB/OL].[2012-04-15].http://wenku.baidu.com/view/9cb48564f5335a 8102d22098.html.